三維 (3D) 生物打印是一項新興技術，能夠制造復雜的仿生組織結構，應用于組織工程、再生醫學和藥物測試。水凝膠是一種能夠吸收大量水的親水性聚合物網絡，由于其生物相容性、可調節的機械性能以及支持細胞粘附、增殖和分化的能力，已成為 3D 生物打印的有前途的生物墨水。

用于 3D 生物打印的水凝膠類型

已經用天然和合成材料開發了多種水凝膠。

天然水凝膠

天然水凝膠源自生物來源，通常具有固有的生物活性和生物相容性，使其適合3D生物打印應用。天然水凝膠的例子包括海藻酸鹽、殼聚糖、明膠、透明質酸和纖維蛋白。這些水凝膠可以進行改性，以提高其可印刷性、機械性能和生物活性，例如通過交聯或與其他聚合物共混。

合成水凝膠

合成水凝膠是化學合成的聚合物，可以定制為具有特定的性能，例如機械強度、降解率和生物活性。合成水凝膠的例子包括聚(乙二醇)(PEG)、聚(乙烯醇)(PVA)和聚(丙烯酸)(PAA)。更復雜的合成水凝膠，例如 Peptigel，含有天然基質中常見的成分（肽）。合成水凝膠可以用生物活性分子（例如生長因子和細胞粘附肽）進行功能化，以增強其支持細胞生長和組織再生的能力。PODS 生長因子確保生長因子在水凝膠內穩定，從而確保持續的可用性。

混合水凝膠

混合水凝膠結合了天然水凝膠和合成水凝膠的優點，例如天然水凝膠的生物活性和合成水凝膠的可調特性。混合水凝膠的例子包括明膠-甲基丙烯酰基(GelMA)，它是明膠的可光交聯衍生物，以及聚(乙二醇)-纖維蛋白原(PEG-Fb)，它是一種合成-天然混合水凝膠。通過調整其組成和交聯條件，可以定制混合水凝膠以使其具有特定的性能，例如可印刷性、機械強度和生物活性。

用于 3D 生物打印的水凝膠的特性：

適印性

可打印性是 3D 生物打印水凝膠的一個關鍵特性，因為它決定了水凝膠通過噴嘴擠出并在沉積時保持其形狀的能力。影響水凝膠適印性的因素包括其粘度、凝膠動力學和交聯機制。具有適當印刷適性的水凝膠可用于制造復雜的高分辨率組織結構，并精確控制其幾何形狀和細胞組成。

機械性能

水凝膠的機械性能，如剛度和韌性，對于 3D 生物打印非常重要，因為它們決定了打印過程中和打印后打印的組織結構保持其形狀和承受機械力的能力。具有可調節機械性能的水凝膠可用于模擬各種天然組織的機械性能，例如軟骨等軟組織和骨骼等硬組織。

生物相容性和生物活性

生物相容性和生物活性是 3D 生物打印水凝膠的基本特性，因為它們決定了打印的組織結構支持細胞粘附、增殖和分化的能力。具有高生物相容性和生物活性的水凝膠可用于制造可與宿主組織整合并促進組織再生的功能性組織結構。

應用和進步

3D 打印生物材料正在開發用于多個應用領域。

組織工程

水凝膠在 3D 打印中的主要應用之一是組織工程，它們作為生物墨水來創建支持細胞生長和組織形成的支架。水凝膠可以定制來模擬各種組織的細胞外基質（ECM），為細胞粘附、增殖和分化提供合適的環境。研究人員已成功使用基于水凝膠的生物墨水 3D 打印多種組織類型，包括軟骨、骨骼、皮膚和血管。

藥物輸送

水凝膠還可用于藥物輸送應用的 3D 打印。通過將小分子、蛋白質或核酸等治療劑納入基于水凝膠的生物墨水中，研究人員可以創建具有控釋特性的定制藥物輸送系統。這種方法允許制造特定于患者的植入物或裝置，這些植入物或裝置可以提供局部和持續的藥物釋放，從而有可能改善治療結果并減少副作用。

軟體機器人

水凝膠在 3D 打印中的另一個最近出現的應用是軟機器人系統的開發。水凝膠的機械性能，例如靈活性和對外部刺激的響應能力，使其成為制造軟執行器和傳感器的理想材料。研究人員展示了基于水凝膠的軟機器人的制造，該機器人能夠模仿章魚和水母等生物體的運動，在水下探索、環境監測和生物醫學設備方面具有潛在的應用前景。

水凝膠在各種 3D 打印應用中顯示出巨大的前景，包括組織工程、藥物輸送和軟機器人技術。它們的特性，例如高含水量、生物相容性和可調節的機械特性，使它們成為這些應用的理想選擇。隨著該領域研究的不斷進展，我們預計會看到水凝膠在 3D 打印中更具創新性和影響力的用途。